Bảo vệ Mạch của Bạn

Thiết kế PCB là một quá trình phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các kỹ sư thường được giao nhiệm vụ tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm chi phí trong khi vẫn duy trì độ tin cậy cao cho sản phẩm cuối cùng của họ. Mặc dù việc thêm một loạt các biện pháp bảo vệ vào bảng mạch của bạn có thể làm tăng chi phí cho mỗi đơn vị, nhưng nó cũng có thể giảm đáng kể tỷ lệ hỏng hóc ngoài thực tế, điều này đi kèm với chi phí hỗ trợ và thay thế của riêng nó. Trong nhiều trường hợp, chi phí thêm cho mỗi đơn vị sẽ không đáng kể so với chi phí hỗ trợ và thay thế, do đó biến việc bảo vệ mạch thành một cơ chế tiết kiệm tiền không thể thiếu.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các thiết bị bảo vệ bạn có thể thêm vào mạch của mình không chỉ giúp nó dễ dàng tha thứ hơn cho lỗi của người dùng, chất lượng nguồn điện kém và các sự kiện bất ngờ, mà còn đảm bảo rằng nó có khả năng vượt qua các bài kiểm tra tuân thủ hơn. Chúng tôi sẽ đi qua các vấn đề an toàn thường gặp từng cái một, bắt đầu với nhiễu điện từ.

Nhiễu Điện Từ (EMI)

Việc giảm bức xạ năng lượng điện từ là rất quan trọng để đáp ứng các quy định tuân thủ tương thích điện từ. Hơn nữa, vì nhiễu điện từ có hai chiều, các thiết bị cần được thiết kế với khả năng đối phó với nhiễu điện từ đến từ bên ngoài. Đối với hầu hết các thiết bị, các mạch bảo vệ cho đầu vào và đầu ra sẽ giống nhau, vì vậy những gì giúp bạn vượt qua bài kiểm tra tuân thủ cũng có khả năng bảo vệ bạn khỏi việc thu nhận năng lượng sẽ làm hại đến tính toàn vẹn tín hiệu trong sản phẩm của bạn.

Ngoài các yêu cầu thông thường về tuân thủ tương thích điện từ, bạn có thể đang thiết kế một thiết bị mà nó tìm thấy mình trong một môi trường công nghiệp đầy các dòng điện lớn đi đến động cơ hoặc các thiết bị tiêu thụ năng lượng khác, hoặc gần một thiết bị radio mạnh. Các cáp kết nối với thiết bị của bạn có thể thu nhận một điện áp đáng kể từ các trường cảm ứng, làm cho các phép đo cảm biến không đáng tin cậy, hoặc giao tiếp khó khăn. Tệ hơn nữa, thiết bị của bạn có thể được cắm vào một thanh nguồn cũng cung cấp điện cho những thiết bị ồn ào về mặt điện này, cho phép nhiễu điện từ trực tiếp xâm nhập vào mạch của bạn qua kết nối nguồn.

Chip Ferrite

Hạt ferrite, hoặc chip (gắn bề mặt), là một trong những phương pháp bảo vệ đơn giản và rẻ nhất bạn có thể thêm vào bảng mạch của mình. Hạt ferrite khiêm tốn này giảm tiếng ồn tần số cao tại điểm nó được đặt, bảo vệ cả hai bên khỏi tiếng ồn được tạo ra từ bên kia. Bất kỳ cáp dẫn nào được cắm vào thiết bị của bạn đều là một ăng-ten, trừ khi nó có lớp chắn hiệu quả. Cáp này có thể thu nhận tiếng ồn từ môi trường và cũng có thể phát ra tiếng ồn từ mạch của bạn.

Chip ferrite hoạt động như một bộ lọc thông thấp trong mạch của bạn, tạo ra sự cản trở cao đối với các tín hiệu tần số cao. Một thông số quan trọng khi chọn chip ferrite hoặc hạt là trở kháng của nó ở các tần số nhất định, thường được đo ở 1MHz hoặc 100MHz. Thông số này sẽ được tính bằng ohm, vì chip ferrite sẽ xuất hiện đối với các thành phần tín hiệu của tần số được chỉ định như một điện trở có giá trị này.

Một thông số kỹ thuật quan trọng khác cho mạch của bạn là Điện trở DC (DCR(MAX)), đó là điện trở nối tiếp của lõi ferrite với tín hiệu DC. Điện trở nối tiếp này rất quan trọng, vì nó sẽ có ảnh hưởng đến mạch của bạn, và nếu bạn đang cố gắng truyền một dòng điện lớn qua dây dẫn nối tiếp với lõi ferrite, bạn có thể thấy lõi ferrite trở nên rất nóng—do đó thông số về dòng điện là quan trọng để xem xét trong những trường hợp như vậy.

Hạt ferrite/chip nên được sử dụng một cách tự do trên các dây dẫn tần số thấp và DC để giảm ảnh hưởng của cả tiếng ồn phát ra và tiếp nhận trên cáp. Bạn cũng có thể xem xét sử dụng một cái cục bộ nối tiếp với đường ray nguồn của một thành phần nhạy cảm trên bảng mạch của bạn, như những thành phần có mặt trong mạch tương tự làm việc với tín hiệu điện áp rất thấp, nơi tiếng ồn trong đường ray nguồn có thể chuyển vào tín hiệu.

Bộ lọc Pi

Nơi mà chip ferrite hoạt động như một điện trở cao với tín hiệu AC, cuộn cảm cung cấp trở kháng cao. Cuộn cảm ít được sử dụng hơn để bảo vệ đầu vào hoặc đầu ra của thiết bị so với hạt ferrite, tuy nhiên, nếu kết hợp với hai tụ điện, chúng có thể là công cụ mạnh mẽ để giảm tiếng ồn dẫn. Bộ lọc Pi được đặt tên như vậy vì nó trông giống như chữ cái Hy Lạp π, với một cuộn cảm ở phía trên, và hai chân là tụ điện. Điều này tạo ra một bộ lọc thông thấp hiệu quả cao, với hai tụ điện hoạt động như bộ giảm xung và cuộn cảm cung cấp trở kháng cao cho tín hiệu.

Nếu thiết bị của bạn đang nhận nguồn từ nguồn có thể gây nhiễu, hoặc có một nguồn cung cấp điện chuyển mạch lớn bên trong, một bộ lọc Pi trên đầu vào của bạn có khả năng cung cấp giảm đáng kể vấn đề EMI. Cuộn cảm thường có trở kháng và khả năng xử lý dòng điện lớn hơn nhiều so với chip ferrite, và cũng có điện trở nối tiếp thấp hơn. Nếu dây dẫn của bạn có vài amp dòng điện chảy qua, hoặc đang gặp phải một lượng tiếng ồn đáng kể, thì bộ lọc Pi có khả năng cung cấp bảo vệ tốt hơn so với chip ferrite.

Hầu hết các cuộn cảm lõi ferrite, quấn dây, gắn bề mặt đều có sẵn trong phiên bản có chắn. Khi bạn sử dụng cuộn cảm để giảm tiếng ồn, cuộn cảm có chắn cung cấp thêm bảo vệ.

Điện trở Kết thúc Nối tiếp

Nếu bạn có một đường truyền tín hiệu có tần số trên vài trăm kilohertz, bạn có thể muốn xem xét thêm một điện trở kết thúc 50ohm vào các đường để cung cấp sự khớp trở kháng và giảm phản xạ. Trên các đường truyền số, phản xạ từ một tín hiệu không được kết thúc đúng cách có thể tạo ra sự mơ hồ về mức logic, dẫn đến dữ liệu bị hỏng. Trên các đường tương tự, phản xạ có thể gây ra mất công suất và hiệu ứng ma trong tín hiệu.

Mặc dù đây không hẳn là phương pháp bảo vệ mà là thực hành thiết kế tốt, nó đáng được nhắc đến ở đây.

Chắn RF

Nếu bạn đang thiết kế một sản phẩm RF, một mạch xử lý tín hiệu cảm biến với điện áp rất thấp, hoặc một mạch trong môi trường điện từ rất xấu, giải pháp tối ưu để giảm thiểu đáng kể nhiễu điện từ là bao bọc mạch của bạn trong một lá chắn RF. Lá chắn RF được nối đất, ngăn chặn mọi sự can thiệp điện từ xâm nhập vào hoặc ra khỏi các dẫn điện và linh kiện tiếp xúc của mạch bạn. Hơn nữa, một mặt đất được thiết kế chắc chắn trên PCB, nơi các linh kiện được lắp đặt, sẽ ngăn chặn tiếng ồn thoát ra hoặc xâm nhập từ phía dưới. Tuy nhiên, tiếng ồn có thể và sẽ xâm nhập và thoát ra qua các dẫn điện đến mạch được bảo vệ. Các biện pháp khác, như chip ferrite, có thể giảm bớt tiếng ồn dẫn.

Lá chắn RF có thể được mua với nhiều kích cỡ khác nhau, và rất có hiệu quả về chi phí để sản xuất theo yêu cầu, ngay cả với số lượng thấp 100 đơn vị.

Nếu bạn không chắc liệu bảng mạch của mình có cần lá chắn RF hay không, việc thiết kế một lá chắn lên PCB và không lắp đặt nó dễ dàng hơn nhiều so với việc sửa đổi bảng mạch và thêm một mẫu đất cho nó. Điều này cho phép bạn chọn không sử dụng lá chắn RF nếu nó chứng minh là không cần thiết trong quá trình thử nghiệm.

Đảo Ngược Cực

Không giống như trong phim khoa học viễn tưởng, khi thuyền trưởng hoặc kỹ sư hét lên “đảo ngược cực”, thường trong một trận chiến hoặc tình huống khác biệt, việc đảo ngược cực của nguồn cung cấp điện năng trong thế giới thực có khả năng cao làm cho khói ma thuật thoát ra hơn là tạo ra một lá chắn lực. Nếu người dùng sử dụng loại cáp điện sai hoặc đầu nối đầu vào không có cực, việc đảo ngược cực của nguồn điện cho thiết bị của bạn có thể làm cháy mọi linh kiện trong mạch của bạn.

May mắn thay, việc bảo vệ chống lại sự kiện đảo ngược cực là dễ dàng.

Diode Đầu Vào

Phương tiện đơn giản nhất để thêm bảo vệ đảo ngược cực là chỉ cần thêm một diode nối tiếp với dẫn điện dương của bạn. Diode chỉ dẫn điện theo một chiều, vì vậy nếu các đầu vào được kết nối không đúng, không có dòng điện nào chảy qua.

Có một số nhược điểm lớn với cách tiếp cận này, và chúng liên quan đến sự giảm điện áp tiến của diode. Nếu bạn cung cấp cho thiết bị của mình với chính xác điện áp nó cần để hoạt động, diode có thể làm giảm điện áp dưới mức mà thiết bị của bạn sẽ hoạt động đáng tin cậy.

Nếu thiết bị của bạn tiêu thụ một lượng điện năng vừa phải, diode có thể quá nóng khi nó phân tán công suất tỷ lệ với cả độ lớn của dòng điện và sự giảm điện áp tiến. Nếu bạn chọn một diode có khả năng đủ để xử lý sự nóng này, nó có thể cung cấp đủ nhiệt cho bảng mạch để gây ra các linh kiện khác hoạt động không đáng tin cậy, hoặc giảm tuổi thọ của thiết bị do sự phân tán nhiệt tăng lên trong vỏ.

Nếu thiết bị của bạn được cung cấp năng lượng bằng pin, diode đầu vào sẽ giảm tuổi thọ dịch vụ của pin hoặc sạc do mất hiệu quả từ sự phân tán tăng của diode. Điều này sẽ dẫn đến việc yêu cầu một pin lớn hơn, nặng hơn, đắt hơn để cung cấp cùng thời gian chạy.

Vì vậy, một diode đầu vào nói chung chỉ là một giải pháp tốt cho một thiết bị dòng thấp có điện áp hoạt động thấp hơn điện áp đầu vào của nó. Một ví dụ tốt cho điều này có thể là một mạch vi điều khiển cơ bản hoạt động ở 3.3v hoặc thấp hơn được cung cấp bởi cáp USB.

Cầu Chỉnh Lưu

Nếu sự sụt áp tiến của diode và sự nóng lên/liên quan đến hiệu suất không phải là vấn đề đối với ứng dụng của bạn, bạn cũng có thể bỏ qua hoàn toàn vấn đề cực tính bằng cách sử dụng một cầu chỉnh lưu ở đầu vào. Một cầu chỉnh lưu đơn giản sẽ đảm bảo bạn luôn có đường ray điện áp dương và âm (hoặc mặt đất) đáng tin cậy, không quan trọng nguồn điện được cung cấp cho thiết bị như thế nào.

Tôi đã sử dụng cách tiếp cận này trong các thiết bị cực kỳ nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, nơi người dùng tự cung cấp nguồn điện bằng cách hàn dây vào bảng mạch. Khả năng lỗi của người dùng cao, và sự không hiệu quả của cầu chỉnh lưu có ảnh hưởng không đáng kể đến thiết bị hoặc ứng dụng cụ thể.

MOSFET

Trái ngược với diode ở trên, một MOSFET có điện trở mở rất thấp và có thể cung cấp bảo vệ chống đảo cực cho các mạch DC tiêu thụ hàng trăm ampe, hoặc bảo vệ chống đảo cực hiệu quả cao cho các mạch được cung cấp bằng pin. Do điện trở mở thấp, gần như không có gánh nặng nhiệt độ bổ sung nào cho mạch.

Bạn có thể sử dụng MOSFET cho bảo vệ chống đảo cực miễn là mạch có một cực dương cung cấp điện áp đơn (sử dụng MOSFET kênh P) hoặc một đường trở về mặt đất đơn (sử dụng MOSFET kênh N). Nếu một sắp xếp của các thiết bị kết nối hoặc nguồn điện áp thay thế tạo ra một đường cung cấp hoặc trở về thay thế, cách tiếp cận này sẽ không áp dụng được.

Một MOSFET kênh N có RDS(ON) thấp hơn so với MOSFET kênh P với cùng một giá, điều này làm cho nó trở thành giải pháp ưu tiên của tôi khi áp dụng được. Tuy nhiên, trong các thiết bị cần phải kết nối đường trở về mặt đất mọi lúc, MOSFET kênh P vẫn là một giải pháp hiệu suất cao so với diode.

Để thêm bảo vệ chống đảo điện áp với MOSFET, chúng ta có thể tận dụng một số tính chất của chúng. Đầu tiên, diode thân thể cho phép dẫn điện từ chân nguồn đến chân xả, và thứ hai, thực tế là MOSFET có thể dẫn điện theo cả hai hướng một khi cổng được sạc.

MOSFET kênh N

Một MOSFET kênh N được lắp đặt trên đường trở về mặt đất, tại điểm kết nối nguồn điện với diode thân thể hướng để dẫn điện khi mạch được cấp điện bằng cực tính đúng. Cổng sau đó được kết nối với đường ray điện áp dương của nguồn cung cấp điện cho thiết bị. Diode thân thể hoàn thành mạch khi nguồn điện cực tính đúng được kết nối, cho phép cổng được kích hoạt và làm ngắn mạch diode thân thể.

MOSFET kênh P

Cách thiết lập cho MOSFET kênh P cơ bản là ngược lại với MOSFET kênh N. Diode thân thể được hướng để dẫn dòng điện từ nguồn cung cấp dương đến phần còn lại của mạch, với cổng được kết nối với mặt đất. Khi điện áp cực tính đúng được áp dụng, cổng trở xuống thấp và sạc MOSFET, làm ngắn mạch diode thân thể, khiến MOSFET dẫn điện bình thường, hoàn thành mạch.

Quá Dòng

Nếu sản phẩm của bạn có cáp hoặc thiết bị có thể tiêu thụ nhiều dòng điện nếu được đặt vào trạng thái không đúng (như một động cơ bị kẹt), bảo vệ quá dòng có thể cứu ngày. Cáp có thể bị đứt bên trong, hoặc có thể bị hỏng bởi các lực bên ngoài khiến cho các dẫn điện bị chập, gây ra tải dòng điện cao lên bo mạch của bạn. Điều này có thể nhanh chóng làm nóng các đường dẫn không được thiết kế cho tải trọng đó, khiến chúng hỏng, hoặc quá tải nguồn cung cấp điện hoặc thiết bị khác gắn với các dẫn điện đó.

Cầu chì có thể tái lập

Một cầu chì Hệ số Nhiệt độ Dương (PTC) là một thiết bị bảo vệ đảm bảo mạch của bạn sẽ mất điện nếu dòng điện vượt quá mức định giá của nó. Sau khi dòng điện giảm trở lại bình thường, cầu chì bắt đầu dẫn điện trở lại. Nếu nhu cầu dòng điện của bạn vượt quá khoảng 10amp, hoặc điện áp của bạn vượt quá khoảng 60V, thì cầu chì có thể tái lập không phải là dành cho bạn và bạn sẽ cần xem xét các lựa chọn thay thế như cầu chì thủy tinh hoặc gốm. Những cầu chì này cung cấp bảo vệ xuất sắc cho các thiết bị dòng điện cao, tuy nhiên, giống như hầu hết các biện pháp bảo vệ, chúng cũng có một số hạn chế.

Cầu chì có thể tái lập được tạo ra bằng cách có các hạt dẫn điện được ràng buộc chặt chẽ trong một chất độn nhựa. Khi cầu chì ở nhiệt độ bình thường, có một lượng lớn vật liệu dẫn điện tạo ra một lối đi cho dòng điện chảy qua thiết bị với điện trở vừa phải. Khi dòng điện tăng lên, cầu chì nóng lên khiến cho nhựa giãn nở. Do đó, sự giãn nở này bắt đầu tách các hạt dẫn điện, làm tăng điện trở, khiến cầu chì nóng lên nhanh chóng hơn. Cầu chì đạt đến một điểm mà chỉ một lượng nhỏ dòng điện có thể giữ cho nhựa nóng đủ để duy trì một trạng thái ổn định của độ dẫn điện thấp.

Trạng thái ổn định này, theo ý kiến của tôi, là nhược điểm lớn nhất của cầu chì. Dòng điện giữ nhỏ nhất trong một thiết bị gắn mặt mà tôi có thể tìm thấy trên thị trường là 10mA, tương ứng với một dòng điện kích hoạt 21mA ở nhiệt độ phòng. Đây là một phạm vi khá hẹp, và một thiết bị có thể kích hoạt nó ở 21mA có thể tiếp tục hoạt động trong một trạng thái suy giảm ở 10mA, có thể gây hại. Trong cầu chì PTC gắn mặt, dòng điện giữ bằng một nửa dòng điện kích hoạt là khá phổ biến, vì vậy bạn cần đảm bảo rằng nếu thiết bị của bạn sẽ bị hỏng ở dòng điện kích hoạt, thì nó cũng không bị hỏng ở một nửa dòng điện kích hoạt. Nếu nó có thể bị hỏng ở một nửa dòng điện kích hoạt, nó nên có một phương pháp khác để tự tắt khi phát hiện trạng thái này để ngăn chặn hư hại.

Cầu chì thủy tinh/Gốm

Nếu thiết bị của bạn được xây dựng sao cho việc đạt đến một ngưỡng dòng điện chắc chắn có nghĩa là đã xảy ra điều gì đó rất tồi tệ, một cầu chì thủy tinh hoặc gốm có thể là cách đi. Một cầu chì nhanh có thể hỏng trong vài mili giây sau khi dòng điện vượt quá mức định giá, trong khi một cầu chì chậm có thể cho phép bạn tạm thời vượt quá giới hạn dòng điện một lượng nhỏ nếu cần, như cho dòng điện khởi động.

Cầu chì không tái đặt là một giải pháp khá dứt khoát, tuy nhiên, chúng chỉ bảo vệ khỏi dòng điện vượt quá mức định mức của cầu chì. Chỉ một tuần trước, tôi đã thấy một bảng mạch nguồn điện phòng thí nghiệm từ một thương hiệu cao cấp rất nổi tiếng mà cầu chì vẫn còn nguyên vẹn, nhưng bảng mạch lại bị cháy đen ở một số nơi. Một MOSFET trên bảng mạch đã hỏng, vì lý do nào đó, và sự hỏng hóc đó đã tạo ra quá nhiều tải trên phần còn lại của các MOSFET H-Bridge dường như đã hỏng theo một chuỗi nhanh chóng, cháy rực. Tuy nhiên, cầu chì của thiết bị không làm gì cả khi từng MOSFET riêng lẻ đang hỏng dưới tải nhỏ hơn mức định mức của cầu chì.

Nếu bạn đang dự định sử dụng cầu chì, bạn có thể mua cầu chì gắn mặt không thể phục vụ bởi người dùng, hoặc bạn có thể mua giá đỡ cho cầu chì có sẵn có thể được người dùng phục vụ. Thông thường, tôi thích làm cho cầu chì không thể phục vụ bởi người dùng, vì nó buộc khách hàng phải trả lại bảng mạch cho bạn, điều này cho phép bạn điều tra tại sao cầu chì lại nổ từ đầu. Nó cho phép bạn tìm hiểu xem tình trạng dòng điện khiến cầu chì nổ có được gây ra bởi một linh kiện suy giảm, hay ngược lại, dòng điện kéo theo đã gây ra sự suy giảm của linh kiện. Chỉ đơn giản thay thế cầu chì và bật lại thiết bị có thể dẫn đến việc cầu chì lập tức nổ lại, hoặc tồi tệ hơn, linh kiện suy giảm có thể hỏng dưới ngưỡng cầu chì và gây ra hư hại nghiêm trọng hơn nhiều cho thiết bị của bạn. Một số người không thích cầu chì phải được dịch vụ bởi nhà cung cấp, nhưng chúng có thể ngăn chặn nhà cung cấp phải thay thế một bảng mạch trị giá hàng trăm đô la nếu họ có thể điều tra nguyên nhân của sự hỏng hóc cầu chì.

Tĩnh điện Xả (ESD)

Nếu bạn sống ở một khu vực độ cao thấp, độ ẩm cao của thế giới, thì ESD có thể không phải là một yếu tố thường xuyên trong quá trình thiết kế của bạn. Nếu bạn đến thăm một thành phố có độ cao cao hoặc độ ẩm thấp như Denver hoặc Calgary, bạn sẽ thấy mình làm mọi người và mọi thứ xung quanh bạn bị sốc với những tia sét từ đầu ngón tay của mình. Chỉ vì bạn sống trong một môi trường tốt đẹp nơi hàng chục nghìn volt không tích tụ trên da bạn để xả ra ngay khi có cơ hội không có nghĩa là sản phẩm của bạn sẽ không kết thúc ở đó. Một lần chạm nhẹ vô ý từ một người dùng đã đi trên thảm hoặc cởi áo khoác đã tạo ra một lượng tĩnh điện lớn, và thiết bị của bạn có thể bị hủy hoại hoặc hư hại nghiêm trọng.

Cung cấp bảo vệ ESD xuất sắc là một chủ đề khá lớn, vì vậy bài viết này chỉ nhanh chóng đề cập đến các lựa chọn, một bài viết khác về bảo vệ ESD sâu hơn sẽ được xuất bản sớm.

Diode TVS

Một trong những phương pháp bảo vệ ESD rẻ nhất, đáng tin cậy nhất cho các đầu vào là diode TVS. Diode TVS cũng cung cấp bảo vệ xuất sắc chống lại các điện áp chuyển tiếp không mong muốn.

Trên hầu hết các thiết bị tôi thiết kế, tôi thêm một diode TVS vào mỗi đầu vào mà người dùng có thể chạm vào, hoặc gần chạm vào bằng ngón tay. Một phóng điện 22kV nên có thể nhảy qua một khoảng cách khoảng 20mm, vì vậy chỉ đơn giản có các chân trên một kết nối lõm vào không đảm bảo bảo vệ khỏi ESD. Diode TVS rẻ tiền, gọn nhẹ và dễ dàng thêm vào thiết kế, vì vậy không có lý do gì để không sử dụng chúng. Có rất nhiều thiết bị có sẵn sẽ không làm gián đoạn các giao tiếp tần số cao như USB 3.0, cho phép chúng được sử dụng trên tất cả các kết nối.

Khi tôi nhắc đến việc một diode TVS có thể không sống sót qua một sự kiện phóng điện tĩnh điện lớn, việc có một diode rẻ tiền trên mỗi đường dây sẽ cho phép bạn sống sót qua phần lớn các sự kiện phóng điện mà không cần chi phí lớn cho một ống phóng điện khí. Tôi đã nghe một số kỹ sư nói rằng bạn không nên lãng phí tiền cho bảo vệ ESD vì nó có thể không bảo vệ mạch khỏi tất cả các sự kiện, tuy nhiên, thực tế là nó bảo vệ khỏi ít nhất 95% số sự kiện là đủ tốt đối với tôi.

Ống Phóng Điện Khí

Ống phóng điện khí không đặc biệt phù hợp để bảo vệ trực tiếp đầu vào của vi điều khiển tiếp xúc trên một kết nối, nhưng lại cực kỳ tốt trong việc bảo vệ đầu vào điện xoay chiều hoặc thiết bị viễn thông khỏi ESD và thậm chí sét. Nếu bạn cần di chuyển một lượng lớn năng lượng xuống đất nhanh chóng, một ống phóng điện khí chính là thứ bạn đang tìm kiếm.

Ống phóng điện khí hoạt động bằng cách ion hóa khí giữa đầu vào và đất khi điện áp đạt ngưỡng. Một khi ngưỡng này được đạt tới, khí ion hóa có khả năng dẫn điện nhiều hơn nhiều so với một thiết bị silicon cùng kích thước.

Như tôi đã nói, chúng không đặc biệt hữu ích trong việc bảo vệ vi điều khiển của bạn—số lượng ống phóng điện khí có sẵn theo điện áp phóng qua rõ ràng cho thấy lý do. Khoảng 20% có điện áp phóng qua dưới 100V, 20% từ 150V đến 250V, 20% từ 250V đến 350V, 20% khác từ 350V đến 1000V và phần còn lại là trên 1000V. Điều này cho bạn một ý tưởng về ứng dụng—chúng thường được sử dụng với các thiết bị 110V, thiết bị 240/250V, thiết bị 380/400V và các thiết bị khác, chỉ có một vài lựa chọn cho các thiết bị dưới 90V. Điều này khiến đầu vào vi điều khiển 3.3v của bạn có khả năng bị cháy do điện áp và dòng điện nếu một ống phóng điện khí cần phải ngăn chặn năng lượng đến.

Nếu bạn có một thiết bị viễn thông, hoặc thiết bị kết nối với điện xoay chiều cần có khả năng xử lý một sự kiện ESD từ người lắp đặt hoặc sét, GDT có thể làm công việc cho bạn. Ống phóng điện khí giá rẻ có thể dễ dàng xử lý 5,000amp, và các lựa chọn nhỏ gọn cung cấp đến 25,000amp cũng có sẵn.

Để xử lý dòng điện lớn như vậy, cần phải suy nghĩ nghiêm túc về kết nối đất xung quanh ống phóng điện khí để đảm bảo bạn không bảo vệ bảng mạch bằng cách làm bay hơi đường dẫn trở về đất.

Tính năng PCB

Bảo vệ ESD cho người nghèo có thể được xây dựng mà không cần bất kỳ linh kiện bên ngoài nào. Một điện áp cao muốn di chuyển đến đất càng nhanh và hiệu quả càng tốt và sẽ vui vẻ ion hóa một ít không khí để tạo ra một đường dẫn dẫn điện để đến đó. Bằng cách tạo ra một vài hình tam giác hướng vào nhau trên bảng mạch, một từ chân kết nối cần được bảo vệ, và cái khác trên mặt phẳng đất, bạn có thể tạo ra một khoảng cách tia lửa đơn giản. Với một khoảng cách đủ lớn mà một sự kiện ESD có thể dễ dàng tạo ra tia lửa nhưng hoạt động bình thường của thiết bị thì không, bạn có thể cung cấp một số bảo vệ cơ bản cho bảng mạch của mình.

Mặc dù dễ sử dụng, một số kỹ sư vẫn đặt câu hỏi liệu việc thiết kế khoảng cách tia lửa có đáng để dành thời gian hay không vì chúng có một số hạn chế. Giống như ống phóng điện khí, điện áp phóng tia lửa tương đối cao so với điện áp cấp logic. Điều này có nghĩa là khoảng cách tia lửa có thể sẽ không bảo vệ đủ cho vi điều khiển hoặc các thiết bị đầu vào hoặc đầu ra cấp logic khác của bạn khỏi sự kiện phóng điện tĩnh (ESD). Việc có một dẫn điện và mặt đất tiếp xúc và cách nhau gần cũng có thể cho phép sự ô nhiễm tiềm năng vượt qua khoảng cách và dẫn dòng điện, có thể làm méo tín hiệu hoặc làm giảm chức năng của kết nối, nếu không làm hỏng hóc gì đó.

Tùy thuộc vào ứng dụng của bạn, việc xây dựng một khoảng cách tia lửa vào các kết nối của bạn có thể là thận trọng, tuy nhiên, trong các ứng dụng khác, nó có thể là con đường dẫn đến sự hỏng hóc sớm của thiết bị.

Bảo vệ Sau Sản Xuất

Không phải tất cả các biện pháp bảo vệ bạn áp dụng cho bảng mạch của mình chỉ nằm ở trong mạch. Bạn cũng có thể cần phải áp dụng một chất lên bảng mạch để đảm bảo nó được bảo vệ khỏi sự ăn mòn và ẩm ướt hoặc để cải thiện tổng thể bảo vệ điện.

Lớp Phủ Tuân Thủ

Lớp phủ tuân thủ thật tuyệt vời cho các bảng mạch sẽ phải tiếp xúc với nhiều thách thức môi trường. Các bảng mạch được phủ lớp tuân thủ sẽ chống ẩm hoặc không thấm nước, và không bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn hoặc các vật liệu khác, tạo ra đoản mạch trên bảng, và cũng chống lại sự ăn mòn từ không khí. Lớp phủ tuân thủ có thể giúp với các mạch tiếp xúc với độ rung động vừa phải bằng cách cung cấp thêm độ bám và ổn định cho các bộ phận được gắn trên bảng.

Lớp phủ tuân thủ có thể được phun lên bảng mạch hoặc quét lên nó, tùy thuộc vào hình dạng bạn cần phủ, cả về diện tích bề mặt và độ phức tạp. Bạn sẽ không muốn lớp phủ tuân thủ lên các kết nối hoặc các khu vực bạn cần hàn dây vào, vì nó sẽ ngăn chặn tiếp xúc điện. Một tỷ lệ tốt của các nhà sản xuất hợp đồng chuyên về bảng mạch cho môi trường khắc nghiệt hoặc làm nhiều công việc theo tiêu chuẩn quân sự sẽ có cơ sở để phun lớp phủ tuân thủ lên bảng mạch của bạn một cách tự động. Nếu bạn làm việc với số lượng thấp, việc áp dụng bằng tay là khá nhanh chóng.

Đổ Kín

Nếu bạn nghĩ rằng lớp phủ tuân thủ nghe có vẻ tốt, bạn sẽ thích ý tưởng về việc đổ kín điện tử của mình. Đổ kín thường đề cập đến việc lấp đầy vỏ bảng mạch với một loại nhựa không dẫn điện như silicone hoặc epoxy, hoàn toàn cô lập bảng mạch của bạn khỏi sự can thiệp bên ngoài, và tăng cường đáng kể khả năng chống sốc và rung động của thiết bị. Nếu bạn làm việc với điện áp cao, việc thay thế không khí bằng một chất ít dẫn điện hơn có thể cho phép bạn giảm kích thước khoảng cách chống rò điện giữa các thành phần cũng như giảm khả năng hỏng hóc khi không khí bị ion hóa bởi điện áp cao của bạn. Điện tử được đổ kín thường sẽ không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, với nhựa đóng vai trò là rào cản chống bụi, ẩm ướt và chất ăn mòn.

Bạn có khả năng xem xét đổ kín điện tử của mình nếu bạn có yêu cầu về:

• Thiết kế chống nổ (tức là, không có cơ hội thiết bị của bạn sẽ tạo ra một vụ nổ trong một bầu không khí dễ cháy.)
• Điện áp rất cao.
• Xử lý rung động hoặc sốc cao.
• Điều kiện môi trường cực đoan (ví dụ, ăn mòn, ẩm ướt, áp suất, chân không)

Nếu bạn phủ thiết bị của mình bằng một loại nhựa như epoxy, loại nhựa gần như không thể tách rời từng linh kiện, bạn sẽ không phải lo lắng về việc ai đó đảo ngược kỹ thuật sản phẩm của bạn, vì việc truy cập vào bảng mạch và các linh kiện sẽ trở nên không thực tế.

Nhược điểm là bạn cũng gần như không thể truy cập vào bảng mạch và các linh kiện. Điều này có nghĩa là một bảng mạch không thể được sửa chữa hoặc chẩn đoán sau khi đã được phủ, vì vậy nếu một bảng mạch hỏng sau khi người dùng nhận được, lựa chọn duy nhất sẽ là thay thế hoàn toàn.

Nhược điểm khác là khả năng dẫn nhiệt kém. Có những loại nhựa dẫn nhiệt có sẵn, có thể cung cấp khả năng tản nhiệt tốt hơn, tuy nhiên, chúng có thể khá đắt đỏ. Việc bao bọc hoàn toàn bảng mạch của bạn trong một chất không dẫn nhiệt và không khí sẽ khiến bất kỳ thiết bị nào cần tản nhiệt đáng kể thất bại do quá nhiệt, đồng thời làm cho việc sử dụng tản nhiệt trở nên khó khăn.

Trong khi chúng tôi đã thảo luận về các phương pháp bảo vệ mạch phù hợp với hầu hết mọi người, thiết kế PCB được tích hợp trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Một số ứng dụng có thể yêu cầu các phương pháp bảo vệ mạnh mẽ hơn, trong khi những ứng dụng khác có thể thoát khỏi việc bảo vệ rất ít. Hãy cho chúng tôi biết ý kiến của bạn trong phần bình luận bên dưới.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.